Prognozowanie cyklonu tropikalnego - Tropical cyclone forecasting

Prognozowanie cyklonu tropikalnego to nauka polegająca na prognozowaniu, w którym oczekuje się, że centrum cyklonu tropikalnego i jego skutki znajdą się w pewnym momencie w przyszłości. Istnieje kilka elementów prognozowania cyklonów tropikalnych: prognozowanie torów, prognozowanie intensywności, prognozowanie opadów, fala sztormowa, tornado i prognozowanie sezonowe. Podczas gdy umiejętności w zakresie prognozowania ścieżek rosną, umiejętność prognozowania intensywności pozostaje niezmieniona przez ostatnie kilka lat. Prognozowanie sezonowe rozpoczęło się w latach 80. w basenie atlantyckim i w kolejnych latach rozszerzyło się na inne baseny.

Historia

Krótkoterminowe

Z upływem czasu zmieniały się metody prognozowania cyklonów tropikalnych. Pierwsze znane prognozy na półkuli zachodniej zostały sporządzone przez podpułkownika Williama Reeda z Korpusu Królewskich Inżynierów na Barbadosie w 1847 roku. Reed w większości wykorzystywał pomiary ciśnienia barometrycznego jako podstawę swoich prognoz. Benito Vines wprowadził system prognozowania i ostrzegania oparty na zmianach zachmurzenia w Hawanie w latach 70. XIX wieku. Jednak przed początkiem XX wieku większość prognoz była wykonywana przez bezpośrednie obserwacje na stacjach pogodowych, które były następnie przekazywane do ośrodków prognoz za pomocą telegrafu . Dopiero wraz z pojawieniem się radia na początku XX wieku obserwacje ze statków na morzu były dostępne dla prognostów. W latach 30. XX wieku w prognozowaniu cyklonów tropikalnych zastosowano radiosondy . Kolejna dekada nadejście samolot rozpoznawczy opartej przez wojsko, zaczynając od pierwszego dedykowanego lotu do huraganu w 1943 i ustanowienia Hunters Hurricane w roku 1944. W 1950 roku, przybrzeżne radary pogodowe zaczęły być stosowane w Stany Zjednoczone, a loty rozpoznawcze prekursora Hurricane Research Division rozpoczęły się w 1954 roku.

Wystrzelenie pierwszego satelity pogodowego, TIROS-I, w 1960 r., wprowadziło nowe techniki prognozowania, które do dziś są ważne dla prognozowania cyklonów tropikalnych. W latach 70. wprowadzono boje w celu poprawy rozdzielczości pomiarów powierzchniowych, które do tego momentu nie były dostępne na wszystkich powierzchniach zamorskich.

Długoterminowy

Pod koniec lat 70. William Gray zauważył trend niskiej aktywności huraganów w basenie północnoatlantyckim w latach El Niño . Był pierwszym badaczem, który połączył takie wydarzenia, a pozytywne wyniki skłoniły go do dalszych badań. Odkrył, że na aktywność cyklonów tropikalnych wpływa wiele czynników na całym świecie, takich jak łączenie okresów deszczowych nad afrykańskim Sahelem ze wzrostem liczby głównych huraganów na ląd na wschodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych . Jednak jego odkrycia wykazały również niespójności, gdy za główny wpływ uważa się tylko jeden czynnik.

Wykorzystując swoje odkrycia, Gray opracował obiektywną, statystyczną prognozę dla sezonowej aktywności huraganów; przewidział tylko liczbę sztormów tropikalnych, huraganów i większych huraganów, pomijając specyfikę torów i potencjalne wyjścia na ląd z powodu wyżej wymienionych niespójności. Gray opublikował swoją pierwszą prognozę sezonową przed sezonem 1984, w której wykorzystano zależności statystyczne między aktywnością cyklonów tropikalnych, oscylacją El Niño-Southern Oscillation (ENSO), oscylacją quasi-dwuletnią (QBO) i ciśnieniami na poziomie morza w basenie Morza Karaibskiego. Przedsięwzięcie zakończyło się skromnym sukcesem. Następnie wydał prognozy przed rozpoczęciem sezonu huraganów na Atlantyku w maju i przed szczytem sezonu w sierpniu. Studenci i współpracownicy dołączyli do jego zespołu prognozującego w kolejnych latach, w tym Christopher Landsea , Paul W. Mielke Jr. i Kenneth J. Berry.

Ścieżka

Błędy gąsienic dla basenu atlantyckiego, 1970-2014

Przepływu synoptyczny dużą skalę określa od 70 do 90 procent ruchu a tropikalnych cyklonu. Średni przepływ w głębokiej warstwie jest najlepszym narzędziem do określania kierunku i prędkości toru. Jeśli burze są znacznie ścinane, lepszym predyktorem jest zastosowanie wiatru o niższym poziomie. Wiedza o efekcie beta może być wykorzystana do sterowania cyklonem tropikalnym, ponieważ prowadzi on bardziej na północny zachód do cyklonów tropikalnych na półkuli północnej. Najlepiej jest również wygładzić krótkotrwałe kołysanie centrum burzy, aby określić dokładniejszą trajektorię.

Ze względu na siły, które wpływają na ślady cyklonów tropikalnych, dokładne prognozy śladów zależą od określenia położenia i siły obszarów wysokiego i niskiego ciśnienia oraz przewidzenia, jak te obszary zmienią się w czasie życia systemu tropikalnego. Łącząc modele prognostyczne z lepszym zrozumieniem sił działających na cyklony tropikalne oraz bogactwem danych z satelitów krążących wokół Ziemi i innych czujników, naukowcy zwiększyli dokładność prognoz dotyczących torów w ostatnich dziesięcioleciach. Dokładna prognoza toru jest ważna, ponieważ jeśli prognoza toru jest nieprawidłowa, prognozy intensywności, opadów, wezbrania sztormowego i zagrożenia tornadami również będą nieprawidłowe.

Zasada 1-2-3

Huragan Rita i Philippe z przewidywaniami reguł 1-2-3.

1-2-3 reguła ( 1-2-3 reguła Marynarzy lub obszar niebezpieczeństwo ) jest wytyczną powszechnie uczy się marynarzy na ciężką burzę (w szczególności huraganu i burzy tropikalnej ) śledzenia i przewidywania. Odnosi się do zaokrąglonych długoterminowych błędów prognoz NHC/TPC wynoszących odpowiednio 100-200-300 mil morskich w godzinach 24-48-72. Liczby te były zbliżone do średniej 10-letniej dla przedziału czasowego 1982-1991. Jednak te błędy zmniejszyły się do blisko 50-100-150, ponieważ prognosci NHC stają się bardziej dokładni. „Obszar zagrożenia”, którego należy unikać, jest konstruowany poprzez rozszerzenie prognozowanej ścieżki o promień równy setkom mil plus prognozowane promienie wiatru (rozmiar burzy w tych godzinach).

Intensywność

Prognozy twierdzą, że są mniej umiejętni w przewidywaniu intensywności cyklonów tropikalnych niż ślady cyklonów. Dostępna moc obliczeniowa ogranicza zdolność prognostów do dokładnego modelowania dużej liczby złożonych czynników, takich jak dokładna topologia i warunki atmosferyczne, chociaż przy większym doświadczeniu i zrozumieniu nawet modele o tej samej rozdzielczości można dostroić, aby dokładniej odzwierciedlać zachowanie w świecie rzeczywistym. Kolejną słabością jest brak częstych pomiarów prędkości wiatru w oku burzy. Cyclone Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej , uruchomiona przez NASA w 2016 roku oczekuje się, aby zapewnić znacznie więcej danych w porównaniu do pomiarów sporadycznych przez boje pogodowych i huraganów penetrującym samolotów .

Dokładna prognoza trasy jest niezbędna do tworzenia dokładnych prognoz intensywności, szczególnie na obszarze z dużymi wyspami, takimi jak zachodni północny Pacyfik i Morze Karaibskie, ponieważ bliskość lądu jest czynnikiem hamującym rozwój cyklonów tropikalnych. Silny huragan / tajfun / cyklon może osłabnąć, jeśli tworzy się zewnętrzna ściana oka (zwykle około 80-160 kilometrów (50-99 mil) od centrum burzy), dławiąc konwekcję w wewnętrznej ścianie oka. Takie osłabienie nazywane jest cyklem wymiany ściany oka i zwykle jest tymczasowe.

Maksymalna potencjalna intensywność

Dr Kerry Emanuel stworzył model matematyczny około 1988 roku, nazwany maksymalną potencjalną intensywnością lub MPI, aby obliczyć górną granicę intensywności cyklonu tropikalnego na podstawie temperatury powierzchni morza i profili atmosferycznych z najnowszych globalnych przebiegów modelowych . Mapy utworzone z tego równania pokazują wartości maksymalnej osiągalnej intensywności ze względu na termodynamikę atmosfery w czasie ostatniego uruchomienia modelu (albo 0000 lub 1200 UTC ). Jednak MPI nie uwzględnia pionowego uskoku wiatru . MPI jest obliczany według następującego wzoru:

${\ Displaystyle V = A + B \ cdot e ^ {C (T-T_ {0})}}$

Gdzie jest maksymalna potencjalna prędkość w metrach na sekundę; jest temperaturą powierzchni morza poniżej środka cyklonu tropikalnego, jest temperaturą odniesienia (30 °C) i , i są stałymi dopasowania do krzywej. Gdy , , i , wykres wygenerowany przez tę funkcję odpowiada 99. percentylowi danych empirycznych dotyczących intensywności cyklonu tropikalnego. ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle T}$ $T_{0}$ ${\ Displaystyle A}$ ${\ Displaystyle B}$ $C$ ${\ Displaystyle A = 28,2}$ ${\ Displaystyle B = 55,8}$ ${\ Displaystyle C = 0,1813}$

Opad deszczu

r-CLIPER dla Isabel (2003)

Prognozowanie opadów deszczu w cyklonach tropikalnych jest ważne, ponieważ w latach 1970-2004 powodzie śródlądowe spowodowane przez cyklony tropikalne spowodowały większość ofiar śmiertelnych spowodowanych przez cyklony tropikalne w Stanach Zjednoczonych . Chociaż powodzie są powszechne w przypadku cyklonów tropikalnych w pobliżu lądu, istnieje kilka czynników, które prowadzą do nadmiernych opadów deszczu z cyklonów tropikalnych. Zwolnione tempo, jak widać podczas huraganu Danny i huraganu Wilma , może prowadzić do dużych ilości. Obecność topografii w pobliżu wybrzeża, tak jak w przypadku większości Meksyku , Haiti , Republiki Dominikańskiej , znacznej części Ameryki Środkowej , Madagaskaru , Reunion , Chin i Japonii , zwiększa ilości ze względu na spływ górski. Silne wymuszanie górnego poziomu z koryta poruszającego się przez Westerlies, jak miało to miejsce podczas Hurricane Floyd , może prowadzić do nadmiernych ilości nawet z systemów poruszających się w średnim ruchu do przodu. Kombinacja dwóch z tych czynników może być szczególnie paraliżująca, jak zaobserwowano podczas huraganu Mitch w Ameryce Środkowej . Dlatego dokładna prognoza toru jest niezbędna do stworzenia dokładnej prognozy opadów cyklonu tropikalnego. Jednak w wyniku globalnego ocieplenia ciepło, które nagromadziło się na powierzchni oceanu, pozwoliło sztormom i huraganom wychwycić więcej pary wodnej, a także, biorąc pod uwagę podwyższone temperatury w atmosferze, dłużej zatrzymywało wilgoć. Powoduje to niewiarygodne opady deszczu na uderzającym lądzie, które często mogą być najbardziej szkodliwym aspektem huraganu.

Metody operacyjne

Model prognozy śledzi w ATCF. NHC oficjalna prognoza dla Ernesto (2006) jest jasnoniebieski, natomiast rzeczywisty tor burzy jest biała linia na Florydzie .

Historycznie, wykresy śledzenia cyklonu tropikalnego były używane do uwzględniania śladów w przeszłości i przygotowywania przyszłych prognoz w Regionalnych Specjalistycznych Ośrodkach Meteorologicznych i Ośrodkach Ostrzegania o Cyklonie Tropikalnym. Potrzeba bardziej zmodernizowanej metody prognozowania cyklonów tropikalnych stała się oczywista dla operacyjnych prognostów pogody w połowie lat 80-tych. W tym czasie Departament Obrony Stanów Zjednoczonych używał map papierowych, octanu, ołówków smarowych i różnych programów komputerowych do prognozowania cyklonów tropikalnych. Oprogramowanie Zautomatyzowanego Systemu Prognozowania Cyklonu Tropikalnego (ATCF) zostało opracowane przez Laboratorium Badawcze Marynarki dla Wspólnego Centrum Ostrzegania przed Tajfunami (JTWC) od 1986 roku i używane od 1988 roku. W 1990 roku system został zaadaptowany przez Narodowe Centrum Huragan (NHC) do używać w NHC, National Centers for Environmental Prediction i Central Pacific Hurricane Center . Zapewniło to NHC wielozadaniowe środowisko programowe, które pozwoliło zwiększyć wydajność i skrócić czas potrzebny na wykonanie prognozy o 25% lub 1 godzinę. ATCF został pierwotnie opracowany do użytku w systemie DOS , a następnie został przystosowany do systemów Unix i Linux.

Fala sztormowa

Głównym burzy przepięć model prognozowania w zbiorniku Atlantic jest smar , co oznacza S EA L ake, O verland, S parcia z H urricanes. Wykorzystuje rozmiar burzy, jej intensywność, ruch do przodu i topografię równiny przybrzeżnej, aby oszacować głębokość fali sztormowej w dowolnym punkcie siatki w Stanach Zjednoczonych . Wymagana jest dokładna ścieżka prognozy w celu uzyskania dokładnych prognoz fal sztormowych. Jeśli jednak punkt wyjścia na ląd jest niepewny, można wygenerować mapę maksymalnej obwiedni wody (MEOW) w oparciu o kierunek podejścia. Jeśli sam tor prognozy jest również niepewny, można wygenerować mapę maksimum maksimów (MoM), która pokaże najgorszy możliwy scenariusz huraganu o określonej sile.

Tornado

Lokalizacja większości tornad związanych z cyklonami tropikalnymi to ich północno-wschodni kwadrant na półkuli północnej i południowo-wschodni kwadrant na półkuli południowej. Podobnie jak w przypadku większości innych prognoz dotyczących efektów cyklonów tropikalnych, wymagana jest dokładna prognoza toru w celu uzyskania dokładnej prognozy zagrożenia tornadami.

Prognoza sezonowa

Analizując roczne zmiany różnych parametrów klimatycznych, prognostycy mogą prognozować ogólną liczbę i intensywność cyklonów tropikalnych, które wystąpią w danym sezonie. Na przykład, konstruując swoje prognozy sezonowe, Climate Prediction Center w Stanach Zjednoczonych bierze pod uwagę skutki oscylacji El Niño-Southern , 25-40-letniego cyklu tropikalnego, uskoku wiatru nad oceanami i temperatury powierzchni oceanu.

Zobacz też

Pudełko Heberta

Languages

In other projects